Abordando la última frontera de la tecnología LED

Abordando la última frontera de la tecnología LED: desarrollo de LEDs blancos basados en una sola capa emisiva

Desarrollar una tecnología de iluminación eficiente y proporcionar una mejor calidad de luz se ha convertido durante los últimos años en un esfuerzo global que ha producido importantes resultados. En 2014, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Nakamura, S. et al. por sus destacadas contribuciones en el desarrollo de los LED azules y LED blancos (WLED) basados en nitruro de galio (GaN), suponiendo un importante hito en cuanto a la mejora de la eficiencia energética, y convirtiéndose en la principal fuente de luz para la iluminación.

 

Se trata, por tanto, de una tecnología en continua evolución, con nuevos desarrollos, cómo los puntos cuánticos, nuevas moléculas orgánicas o el empleo de materiales como la perovskita, que mejoran la eficiencia energética, calidad de luz y reducción de costes. Sin embargo, esta tecnología todavía tiene importantes retos que superar, principalmente relacionados con sus complicados procesos de fabricación y los costes asociados.

 

El desarrollo de una fuente de luz de bajo coste con una estructura simple es uno de los puntos claves para el futuro desarrollo de la iluminación. En este aspecto, la tecnología de diodos emisores de luz blanca (WLED) basados en una sola capa emisiva (SEL) se considera como la mejor candidata para el desarrollo de estas fuentes de luz de nueva generación.

 

En un SEL-WLED, la luz blanca normalmente proviene de la electroluminiscencia de una sola capa emisiva, haciendo que la estructura del dispositivo sea mucho más simple que los actuales WLED comerciales basados en GaN. Mientras que estos WLED convencionales necesitan apilar en dos o tres capas emisores, los SEL-WLED solo tiene una capa, lo que puede simplificar el proceso de fabricación y reducir los costes de producción, además de ventajas adicionales como su tamaño y flexibilidad, convirtiéndose en una prometedora fuente de luz para desarrollar el futuro de la iluminación.

 

En una nueva investigación realizada por equipo de científicos dirigida por el profesor Haibo Zeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing y Fushan Li de la Universidad de Fuzhou, han revisado el progreso de la investigación de los SEL-WLED, evaluando las perspectiva de futuro de esta tecnología.

 

La investigación, que ha sido publicada recientemente en “Light Science & Application”, revisa la historia y el desarrollo de los SEL-WLEDs durante los últimos años, dando las claves para su futuro uso en múltiples aplicaciones.

 

¿Por qué una sola capa emisiva para desarrollar LEDs Blancos?

Los materiales en las capas emisoras de luz desempeñan un papel vital en el desarrollo de los LEDs Blancos (WLED), ya que las diferentes características de luminiscencia conducen a diferentes modos emisores de luz. Así en los LED, OLED, y LED blancos a base de Puntos Cuantos (WLED, WOLED y WQLED, respectivamente), los modelos de apilamiento y mezcla multicolor son las principales formas de lograr la luz blanca.

 

 

 

 

Figura 1 – Emisores y estructuras de los dispositivos WLED: Estructuras de diferentes dispositivos WLED basados en a) y b) GaN-LED, c) ROGB moléculas orgánicas/Puntos Cuanticos y d) materiales emisores de amplio espectro. Fuente: Research progress of full electroluminescent white light-emitting diodes based on a single emissive layer

 

En los WLED basados en GaN, los LED azules se combinan con fósforo para formar un WLED (modelo de apilamiento azul amarillo, Fig 1.a), en el que la electroluminiscencia solo proviene de chips azules y la generación de luz blanca require fósforos multicolores con fotoluminscencia de alta eficiencia.

 

Además, la electroluminiscencia completa se puede lograr a través de WOLED/WQLED mediante la mezcla multicolor para la generación de luz blanca ya que los colores de las moléculas orgánicas y los Puntos Cuánticos son ajustables (1b).

 

Otro modelo factible, es el de apilamiento diferentes capas emisoras de rojo/verde/azul o azul/naranja, empleado comúnmente y que contribuye a una alta eficiencia.

 

Todos estos métodos presentan importantes retos. Así por ejemplo, los OLED blancos de alta eficiencia dependen de procesos de dopaje host-invitado de alta precisión al crear las capas de apilamiento; requiriendo costosos materiales orgánicos, así como costosos equipos de evaporación mecánica.

 

Por otro lado, los QLED blancos tienen la ventaja potencial de utilizar materiales luminiscentes de bajo coste, pero la tecnología necesaria para lograr QLED blancos de alta eficiencia cae en cascada a través de la capa de conexión intermedia, lo que significa que el proceso de fabricación es complejo.

 

Por lo tanto, el coste del material y la estructura del dispositivo son variables fundamentales para desarrollar las fuentes de luz de nueva generación, con los WLED con estructuras simples y con una sola capa emisora, como la solución ideal, para el desarrollo futuro de tecnología de iluminación ultrafina, altamente eficiente y de bajo costo.

 

 

 

Figura 2: Una breve línea de tiempo sobre el desarrollo de WLED con una sola capa emisiva Fuente: Research progress of full electroluminescent white light-emitting diodes based on a single emissive layer

 

Avances de los emisores de amplio espectro en SEL-WLED

 

Algunos emisores de amplio espectro, principalmente los hechos de un solo material, han atraído mucha atención porque pueden lograr la coelectroluminiscencia multicolor o de espectro de banda ancha en toda la región de luz visible.

 

Es obvio que estos emisores de amplio espectro tienen claras ventajas para procesos simples y de bajo costo y son los más aceptables comercialmente para iluminación, pantallas y muchas otras aplicaciones. Los emisores de amplio espectro son capaces de superar los obstáculos que enfrenta la tecnología actual: como los procesos de fabricación complicados, incluido el crecimiento epitaxial para WLED basados en GaN y evaporación térmica al vacío con dopaje preciso para WOLED; los costes de los materiales de WLED actuales son altos debido al proceso de síntesis (por ejemplo, emisores orgánicos); y finalmente diferencias en los emisores que implican estabilidad del material y estabilidad de emisión.

 

Por lo tanto, los emisores de amplio espectro formados a través de procesos de solución, como los emisores de perovskita, proporcionan un camino viable a los WLED al tiempo que prometen menores costos, mejor compatibilidad y adaptabilidad multiescena.

 

En la siguiente tabla se puede ver el rendimiento y características de algunos SEL-WLED que incluyen emisores de amplio espectro, que generalmente son materiales que poseen la coelectroluminiscencia de centros multicolores.

 

 

Resumen del rendimiento de los SEL-WLED que contienen emisores de amplio espectro. Fuente: “Research progress of full electroluminescent white light-emitting diodes based on a single emissive layer”

 

Tendencias y Futuros desarrollos

Estrategias de extracción de luz para SEL-WLED

Si bien es cierto que se han desarrollado algunos SEL-WLED con emisores de amplio espectro que exhiben un alto rendimiento en espectro y brillo. Sin embargo, su rendimiento de luminiscencia es relativamente menor que el de los WLED tradicionales

 

Una estrategia factible es aplicar métodos de extracción de luz para reducir la pérdida de luz inherente de su estructura de dispositivo plano, que se ha confirmado que atrapa casi el 80% de la luz en su estructura debido a las diferentes propiedades ópticas (índice de refractivo) de sus materiales, estas propiedades incluyen el modo de sustrato, el modo de guía de onda y el modo de plasmon.

Por lo tanto, se han propuesto algunas estrategias de extracción de luz para aumentar la producción de luz y han logrado una gran mejora en el rendimiento de luminiscencia de los OLED, QLEDs y PeLED.

 

Propiedades optoelectrónicas de los emisores SEL-WLED

El rendimiento de los SEL-WLED está limitado no solo por la estructura de los dispositivos, sino también por las propiedades optoelectrónicas de los emisores, que incluyen el mecanismo emisor de luz, la regulación de la estructura y la estrategia de síntesis.

Los investigadores creen que los estudios futuros se centrarán en dos factores clave: la eficiencia cuántica interna (IQE) y la estabilidad operativa de estos emisores y SEL-WLED. Por ejemplo, aunque la eficiencia de los dispositivos monocromáticos que utilizan emisores de perovskita es relativamente alta, la eficiencia de los WLED está lejos de ser suficiente. Es necesario seguir desarrollando algunas estrategias para mejorar el IQE, como la regulación de la estructura cristalina, la pasivación de defectos y la ingeniería de interfaz entre las capas SEL y de transporte.

 

Desarrollo de emisores de amplio espectro para SEL-WLED

En las últimas décadas, se han confirmado muchos casos de SEL-WLED y han demostrado un rendimiento comparable al WLED multicapa convencional. Sin embargo, la mayoría de estos SEL-WLED de alto rendimiento utilizan emisores orgánicos multicolores mixtos, que se enfrentan a los mismos problemas que los WOLED tradicionales, como la necesidad de equipos de evaporación al vacío, dopaje de alta precisión y costo del material.

 

Por lo tanto, algunos emisores de amplio espectro, especialmente aquellos que se pueden fabricar mediante el método de solución, tienen ventajas para superar estos problemas y se convertirán en emisores ideales para SEL-WLED.

 

Por ejemplo, algunos estudios muy recientes sobre perovskitas han demostrado su potencial en esta área, pero las propiedades emisoras de luz multicolores/de banda ancha de estos emisores de perovskita provienen de diferentes mecanismos de luminiscencia, como la transferencia de energía en algunas perovskitas dopadas con iones y los excitones autoatrapantes en algunos emisores de perovskita heterogéneos. Por lo tanto, la exploración futura de su mecanismo de luminiscencia será una importante dirección de investigación.

 

Diseño y regulación espectral en SEL-WLED

Las diferentes características espectrales de los SEL-WLED determinan su campo de aplicación. En aplicaciones de iluminación, los SEL-WLED con un espectro de luz blanca de banda ancha son una opción ideal porque pueden cubrir toda la región de luz visible y son capaces de imitar muy bien la luz solar. En las pantallas, los SEL-WLED que poseen múltiples picos estrechos o un cambio de color controlable de los colores rojo, verde y azul desempeñarán un papel importante.

 

Por ejemplo, Sun R. et al. lograron la coemisión de múltiples colores introduciendo Sm3+ en los nanocristales CsPbCl327. Beneficiándose de las características de excitación multinivel de Sm3+, los SEL-WPeLED basados en CsPbCl3:Sm3+ emitieron luz blanca, incluida la luz azul intrínseca (410 nm) de CsPbCl3 y la luz amarillo-roja (565 nm, 602 nm ). Su trabajo mostró que los emisores de amplio espectro con características espectrales ajustables, combinados con un proceso de solución de bajo costo, harán de los SEL-WLED una opción ideal para iluminación, pantallas y otras aplicaciones.

 

Además del mecanismo de transferencia de energía y la coemisión multicolor de estas perovskitas dopadas con iones, se necesitan esfuerzos continuos para introducir varios iones de tierras raras en la estructura de perovskita para lograr una luminiscencia multicolor más ajustable. Los SEL-WLED con color estándar R/G/B y calidad de luz blanca pura serán valiosos tanto en la iluminación como en las pantallas. Por ejemplo, combinar SEL-WLED con un filtro de color será una estrategia viable para crear micropantallas al tiempo que se reduce el costo y el consumo de energía.

 

Puede consultar el paper completo de la investigación en el siguiente enlace:

https://www.nature.com/articles/s41377-021-00640-4

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